Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов и средств исследования влияния пульсаций давления на погрешность расходомеров 10
1.1. Исследования влияния пульсаций давления на погрешность газовых расходомеров 10
1.2. Методы и средства экспериментального исследования расходомеров в условиях пульсирующего потока газа 27
1.3. Требования, предъявляемые к стендовому оборудованию 36
1.4. Постановка задач исследований 40
Глава 2. Оборудование для исследования характеристик расходомеров в условиях пульсирующего потока газа 42
2.1. Функциональная схема стенда для испытаний расходомеров 43
2.2. Выбор конструктивной схемы и схемы подключения газового генератора колебаний 44
2.3. Методика расчета и исследование пульсационных характеристик экспериментальной установки 52
2.3.1. Математическая модель установки 52
2.3.2. Алгоритм и программа расчета пульсационных характеристик 61
2.3.3. Теоретическое исследование пульсационных характеристик 67
2.3.4. Выбор параметров основных узлов экспериментальной установки... 76
2.4. Конструкция стендового оборудования и измерительно-обрабатывающий комплекс 80
Глава 3. Методы исследования влияния колебаний давления на погрешность диафрагменных газовых расходомеров 89
3.1. Методика расчета погрешности расходомера в условиях пульсирующего потока газа 89
3.1.1. Математическая модель газовой магистрали с диафрагменным расходомером 89
3.1.2 Математическая модель газовой измерительной цепи расходомера... 101
3.1.3. Алгоритм и программа расчета погрешности диафрагменных расходомеров 109
3.2. Анализ влияния пульсаций давления на погрешность диафрагменных расходомеров 113
3.3. Методы экспериментального определения погрешности расходомеров 119
Глава 4. Экспериментальное исследование пульсационных характеристик стендового оборудования и оценка влияния пульсаций давления на погрешность газовых расходомеров 128
4.1. Алгоритм и программа обработки экспериментальных данных 128
4.2. Оценка погрешности измерения параметров 137
4.3. Экспериментальное исследование пульсационных характеристик стенда . 149
4.4. Экспериментальное исследование диафрагменных расходомеров 151
4.5. Рекомендации по повышению точности измерения расхода газа 157
Основные результаты и выводы 160
Список использованных источников 162
Приложения 170
- Методы и средства экспериментального исследования расходомеров в условиях пульсирующего потока газа
- Выбор конструктивной схемы и схемы подключения газового генератора колебаний
- Математическая модель газовой магистрали с диафрагменным расходомером
- Экспериментальное исследование пульсационных характеристик стенда
Введение к работе
Важной проблемой, возникающей в процессе эксплуатации газоизмерительных пунктов, является измерение среднего значения расхода пульсирующих потоков газа. Эта проблема обостряется при измерении расхода газа, прежде всего, диафрагменными расходомерами, доля которых составляет 55...65 % от общего числа расходомеров [56]. Пульсации давления, обусловленные в основном неравномерностью подачи нагнетателей, неустойчивостью агрегатов, срывными явлениями приводят к возникновению дополнительной погрешности, величина которой в зависимости от степени колебательности процесса может достигать 0,5....3,5 % [62]. По данным ряда производственных объединений при регистрации расхода газа методом стандартных диафрагм размах колебаний записи регистрирующего прибора может достигать 15 мм и более при шкале прибора 100 мм [50,61]. При обработке показаний прибора по средней линии появляется систематическая погрешность из-за квадратичной зависимости между перепадом давления на диафрагме и расходом газа. Например, на газоизмерительном пункте ГРС-16 ОАО «Самаратрансгаз» пульсации перепада давления на мерной диафрагме составляют 30 %, что может привести к возникновению дополнительной погрешности измерения расхода газа, превышающей допустимую классом точности прибора величину. В случае нелинейного осреднения перепада давления в импульсных трубках и датчике эта погрешность может существенно возрасти.
Появление ошибки из-за пульсаций давления опасно тем, что она не поддается учету при применении промышленно выпускаемых измерительных средств и часто приводит к взаимным притязаниям поставщиков и потребителей природного газа. Поэтому, в настоящее время в условиях дефицита энергоносителей и повышения точности их учета и хранения актуальной задачей является снижение погрешности измерения расхода газа методом стандартных диафрагм в эксплутационных условиях, характеризующихся наличием пульсаций рабочей среды. Снижение колебаний давления в напорных газовых магистралях применением гасителей колебаний затруднено тем, что они имеют большие габариты и массу. Для повышения точности измерения расхода газа в газопроводах представляется перспективным создание устройств, обеспечивающих коррекцию показаний диафрагменных расходомеров при наличии пульсаций давления [21]. Однако разработка и внедрение указанных корректирующих устройств не могут быть выполнены без проверки их эффективности на специальном стендовом оборудовании. Такое оборудование необходимо также для оценки влияния пульсаций давления на погрешность и многих других типов расходомеров, например вихревых. Используемые на практике стенды не удовлетворяют в
полной мере предъявляемым к ним требованиям в части прецизионного задания статических параметров (давления, перепада давления), формирования в общем виде акустических граничных условий, реализации заданного режима пульсирующего потока газа. Поэтому создание экспериментального оборудования для исследования погрешности диафрагменных расходомеров в условиях пульсирующего потока газа, теоретическое и экспериментальное исследование, направленные на повышение точности измерения расхода газа при наличии пульсаций давления является важной и актуальной задачей.
В соответствии с изложенным, целью работы является создание экспериментального оборудования и методов исследования точностных характеристик расходомеров в условиях пульсирующего потока, исследование обусловленной пульсациями давления погрешности диафрагменных расходомеров и разработка мероприятий по снижению уровня этой погрешности.
В первой главе дан анализ исследований влияния пульсаций давления на характеристику расходомеров по литературным источникам, приведен обзор схем применяемых экспериментальных установок для исследования расходомеров в условиях пульсирующего потока газа, определены требования к стендовому оборудованию для исследования газовых расходомеров. На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследований.
Во второй главе разработана принципиальная схема стендового оборудование для
исследования динамических характеристик расходомеров, включающая источник давления,
генератор колебаний, испытуемый и контрольный расходомеры, задатчики давления на
входе в испытуемый расходомер и перепада давления на нем, блоки формирования
граничных условий, разработана математическая модель стендовых магистралей,
включающая пульсатор, емкости, дроссели испытуемый и контрольный расходомеры и
подводящие трубопроводы. Приведены методика и алгоритм расчета параметров движения
газа в стендовых магистралях, реализованные в пакете прикладных программ. Приведен
порядок выбора параметров основных узлов стендового оборудования. Предложены
конструктивные решения узлов стенда и дано описание разработанного автором
ч измерительно-обрабатывающего комплекса.
Третья глава посвящена методам экспериментального определения и теоретическому
исследованию влияния пульсаций давления на погрешность диафрагменных газовых
расходомеров в стендовых условиях. Дана оценка составляющих погрешности,
обусловленных нелинейным осреднением пульсаций давления в элементах газовой
измерительной цепи расходомера.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям пульсационных характеристик стендового оборудования, погрешности диафрагменных расходомеров в условиях пульсирующего потока газа, мероприятиям по повьшіению точности измерения расхода пульсирующего потока газа при помощи диафрагменных расходомеров.
В заключении даны выводы по диссертационной работе и указаны области применения полученных результатов.
Приложения включают программы расчета пульсационных характеристик стендовых магистралей, программы расчета характеристик газовых измерительных цепей диафрагменных расходомеров, схемы узлов и измерительно-обрабатывающего комплекса стендового оборудования.
Работа выполнена на кафедре «Автоматические системы энергетических установок» Самарского государственного аэрокосмического университета.
Методы и средства экспериментального исследования расходомеров в условиях пульсирующего потока газа
В работах [6,11,23,25,57,66,68-70,84,89,102,104,105] приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований возникновения увода среднего давления в измерительной линии, состоящей из датчика давления, подводящего трубопровода и местного гидравлического или пневматического сопротивления. Увод среднего давления зависит от многих факторов, в частности, от геометрических параметров подводящего трубопровода, акустической податливости мембраны чувствительного элемента датчика, степени симметричности и нелинейности местного сопротивления, параметров рабочей среды и спектра колебаний давления на входе в измерительную цепь (частот, амплитуд и начальных фаз составляющих гармоник спектра). Величина увода среднего давления может достигать 15+-25 % от амплитуды основной гармоники колебаний давления на входе в измерительную цепь. В случае реализации резонансных режимов в подводящем трубопроводе увод среднего давления также изменяется по резонансной кривой, достигая максимального значения при резонансных частотах колебаний. Учитывая то, что на входе в диафрагму и выходе из него наблюдаются колебательный процесс, отличающийся на величину перепада давления, можно предполагать, что в результате суммирования давления по каждому из подводящих каналов может возникнуть существенная дополнительная погрешность измерения расхода газа.
В работах [6,93,100] для устранения влияния пульсаций предложены различные виды первичных преобразователей расхода. Представляют интерес результаты сравнения влияния пульсирующих потоков на погрешность измерения расхода стандартными диафрагмами и вихревыми расходомерами [96]. Отмечено, что большие изменения числа Струхаля и соответствующие им погрешности происходили при синхронности процессов развития вихрей и циклов пульсации давления. Для диафрагменных расходомеров погрешности измерения были на порядок меньше, чем для вихревых. Mottram R. С. [97] указывает, что для вихревых расходомеров допустимы лишь пульсации расхода, частота которых не превышает 25% от наименьшей частоты срыва вихрей с обтекаемого тела.
У турбинных расходомеров постоянная времени разгона в несколько раза меньше постоянной времени торможения [42]. Это приводит к более быстрому реагированию турбинки на положительные периоды пульсаций по сравнению с отрицательными и, следовательно, к появлению положительной погрешности.
Повышение точности измерения расхода пульсирующих потоков газа обеспечивается устранением (демпфированием) колебаний давления газа либо их учетом при помощи быстродействующих датчиков. Кремлевским П.П. предлагается сглаживание пульсаций давления в основной магистрали установкой фильтров-успокоителей [41]. Кроме того, для снижения уровня пульсаций рекомендуется выполнение следующих мероприятий [45]: при прохождении потока по трубопроводу, заполненному частично или полностью жидкостью (конденсатом), предусматривать устройство для удаления этой жидкости; - размещать измерительный пункт до (по направлению течения среды) регулирующих систем и компрессорных установок газораспределительных станций; - при создании измерительного пункта необходимо избегать прямоугольных колен и карманов (заглушённых отводов), в которых могут возникать отраженные волны и изгибов трубопровода непосредственно перед прямым участком; - в качестве запорной арматуры на прямых участках использовать равнопроходные шаровые краны; - соединительные импульсные трубки должны быть по возможности короткими с одинаковой длиной, возможно большим диаметром и не содержать емкостей для демпфирования; - при измерении расхода газа при помощи СУ предпочтителен бескамерный (фланцевый) отбор давления (применение кольцевых камер нежелательно из-за их детектирующих свойств), также нежелательны датчики перепада давления с нелинейными демпфирующими элементами. В ГОСТ [27] оговаривается, что при использовании камерного углового отбора емкости камер должны быть симметричными и минимальными. Для определения среднего расхода газа в этом же ГОСТ предписывается измерение плотности газа или давления и температуры потока. Однако в случае определения плотности газа косвенным путем, рекомендуется следующее расположение датчиков: датчик давления устанавливается в точку положительного отбора перепада давления на диафрагме, датчик температуры - за диафрагмой на расстоянии 5...10 диаметров. При таком расположении датчиков возможно возникновение дополнительной погрешности измерения плотности, связанной с несоответствием точек измерения давления и температуры, причем величина рассогласования будет зависеть от относительного диаметра диафрагмы.
Снижение погрешности измерения расхода пульсирующих потоков за счет гашения колебаний в магистральных трубопроводах затруднено из-за больших габаритов, массы и стоимости гасителя, а также дополнительных гидравлических потерь [65]. С развитием микропроцессорной техники появилась возможность повысить точность измерения расхода с учетом влияния дестабилизирующих факторов.
Так в [43,46] описаны современные микропроцессорные средства измерения и учета расхода газа, ориентированные на применение в качестве первичных преобразователей сужающих устройств. Данные средства соответствуют действующим нормативным документам и, кроме того, реализуют ряд полезных дополнительных функций. Средства учета расхода газа «Суперфлоу-И» и СПГ [43,46] получили широкое распространение в нашей стране для коммерческого учета газа на предприятиях РАО «Газпром» и у потребителей природного газа.
Приборы комплекса «Суперфлоу-П» могут размещаться как в непосредственной близости от диафрагм, так и в отапливаемых помещениях газоизмерительных пунктов в соответствии с [27]. Все вычисления осуществляются с помощью вычислителя, ввод-вывод информации — с помощью ручного терминала. Подвод давлений к датчикам, расположенным в отапливаемом помещении, производится с помощью импульсных линий, проходящих через перегораживающую стенку, питание датчиков осуществляется от сухих батарей, встроенных в вычислитель. В аналогичных схемах применяются вычислители фирмы «ЛОГИКА» [43].
В работе [43] отмечается, что в современных условиях, особенно в области коммерческого учета газа, необходимо исключить влияние человеческого фактора для обеспечения объективности результатов измерений. Однако средства измерения и учета расхода газа, рассмотренные выше, не предусматривают коррекции показаний расходомера из-за пульсаций рабочей среды. Для повышения точности измерения расхода газа представляется перспективным создание устройств, обеспечивающих коррекцию показаний по наличии пульсациям давления. Конструкция такого устройства представлена в работе [53]. На основании результатов исследования влияния колебаний рабочей среды на показания диафрагменных расходомеров, автор утверждает, что дополнительная погрешность зависит от действующего значения перепада давления на диафрагме и слабо зависит от соотношения фаз гармоник. Этот факт был положен в основу устройства коррекции показаний расходомеров переменного перепада давления по действующему значению пульсаций перепада давления.
Для реализации алгоритма коррекции по действующему значению пульсаций давления необходимо преобразовать сигнал динамического перепада давления в эффективное значение в реальном масштабе времени. В лабораторных условиях применяется подход, при котором измеряемая переменная величина преобразуется с помощью АЦП и вводится в автоматизированную систему в реальном масштабе времени (рис. 1.1). Дальнейшая обработка при правильно выбранных параметрах системы (частоты и разрядности преобразования) позволяет обеспечить высокую точность измерений.
Выбор конструктивной схемы и схемы подключения газового генератора колебаний
Проведенный в предыдущей главе анализ режимов и технологического обеспечения процесса испытаний расходомеров в условиях пульсирующего потока газа показал, что характерным для существующих принципов построения стендов, является недостаточный учет граничных условий, определяющих взаимодействие испытуемых расходомеров и стендовых магистралей. В результате этого при эксплуатации стендов проявляются следующие недостатки: - сужаются диапазоны генерируемых колебаний по амплитуде; - появляются ограничения в достижении показателей, характеризующих форму колебаний; - появляются трудности в обеспечении требуемой точности измерения средних составляющих давления на входе в диафрагменный расходомер и перепада давления на нем. В тоже время, научно-обоснованный выбор параметров стендовой системы может в значительной степени улучшить процесс испытаний. В качестве иллюстрации влияния свойств стендовой системы рассмотрим возбуждение колебаний расхода через диафрагменный расходомер, установленный в напорной магистрали (рис. 2.1,а). Для расчета используем эквивалентную схему, представленную на рис. 2.1,6, в которой генератор изображен в виде эквивалентного источника колебаний давления с амплитудой Ар, с импедансом Zu, расходомер - в виде двухполюсника с импедансом Zp, а присоединенная магистраль - в виде акустического нагрузочного импеданса Z . При этом амплитуда колебаний перепада давления на расходомере подсчитывается по формуле Afj, = Ahl\Zu + ZP +Z„. Из записанной формулы следует, что амплитуда колебаний перепада давления, следовательно и амплитуды колебаний расхода, могут изменяться в широких пределах только за счет изменения динамических свойств стендовой системы.
Требования к характеристикам стендовых систем для частотных испытаний пневмогидравлических агрегатов были сформулированы в работах [39]. В дальнейшем эти требования были развиты Санчуговым В.И. в концепцию построения технологических стендов [54]. В данной главе излагается концепция и разработанные в соответствии с ней схемы стендов для испытаний расходомеров в условиях пульсирующего потока газа. Изложенные результаты касаются, в основном, диафрагменных расходомеров, предназначенных для измерения массового расхода газа по давлению на входе, перепаду давления на диафрагме и давлению на выходе. Однако эти результаты могут быть расширены и на расходомеры других типов.
Создание стендового оборудования для испытаний расходомеров с учетом указанных во введении к данной главе недостатков требует предложения новых подходов к его проектированию, изготовлению и эксплуатации стендов. Требования к стендам должны учитываться уже при разработке их функциональных схем. При этом в схемы должны вводиться принципиально новые узлы, предназначенные для формирования на участке трубопровода с испытуемым расходомером требуемого режима пульсирующего потока газа.
В общем случае схема включает в себя следующие узлы: - блок подготовки сжатого газа, предназначенный для обеспечения статических параметров потока газа и представляющий собой компрессорную станцию с устройствами нагнетания, очистки, охлаждения, регулирующей, распределительной и запорной арматурой (вопросы выбора компрессорной станции достаточно освещены в литературе [2]); - блок формирования граничных условий стендовой системы на входе участка испытуемого расходомера (со стороны высокого давления), служащий для организации заданного пульсирующего режима на рабочем участке и исключения влияния колебаний давления на работу агрегатов блока подготовки сжатого газа; генератор колебаний для возбуждения колебаний давления в стендовой системе; - задатчики среднего давления и перепада давления на испытуемом расходомере; - блок формирования граничных условий на выходе участка испытуемого расходомера (со стороны низкого давления), предназначенный для организации заданного пульсирующего режима на рабочем участке и гашения пульсаций давления на входе в контрольный расходомер,; - участок с контрольным расходомером, предназначенный для измерения истинного значения расхода, относительно которого будут сравниваться показания испытуемого расходомера; электрическую систему управления стендом, системы измерения и обработки данных по статическим и динамическим параметрам. Требования к схеме и конструкциям отдельных блоков стенда определяются свойствами испытуемых расходомеров, схемами подключения и типом генератора колебаний. Одним из основных элементов стенда для исследований расходомеров является генератор, служащий для возбуждения колебаний давления (расхода) газа. Наиболее полно конструкции генераторов представлены в патентной литературе. Известно свыше ста авторских свидетельств и патентов, в которых предлагаются различные конструктивные схемы генераторов. Большинство изобретений имеют целью расширение частотного диапазона и приближение формы генерируемого сигнала к синусоидальной.
По принципу получения колебаний жидкости генераторы разделяются на две группы. К первой группе относятся устройства, принцип действия которых основан на периодическом изменении сопротивления участка магистрали. В таких устройствах рабочая среда из полости с высоким давлением движется в полость с более низким давлением через отверстие, площадь сечения которого может быть постоянна или переменна. В первом случае возникновение колебаний происходит вследствие неустойчивости самого стационарного течения (турбулизации потока). При истечении жидкости через отверстие переменного сечения возникновение колебаний связано с переменностью границ течения. Такой принцип реализуется в сиренных генераторах. В них генерирование колебаний происходит как за счет изменения границ течения, так и за счет турбулизации потока.
В известных конструкциях принцип изменения гидравлического сопротивления чаще всего реализуется путем изменения площади проходного сечения. Прерывающее устройство, обеспечивающее дросселирование, может совершать поступательное или вращательное движение. Наибольшее распространение получили схемы генераторов с вращающимся прерывателем - сирены. Конструктивно прерывающее устройство сирены представляет собой либо диск (с отверстиями), либо может быть выполнено в виде вращающегося золотника с отверстиями. Для сиренных генераторов частотный диапазон, как правило, определяется возможностями привода и числом отверстий в прерывателе.
Математическая модель газовой магистрали с диафрагменным расходомером
На основе изложенной методики созданы алгоритм и программа расчета сатических и пульсационных характеристик стендовых магистралей.
Для задания начальных значений параметров движения газа при расчете по формулам (2.3.6)...(2.3.19) решается система уравнений для статических характеристик элементов. Расчет статических характеристик выполнялся по следующей методике: весь тракт пневмоцепи стенда разбивается на ряд элементов (местных сопротивлений), потери давления на которых зависят от геометрических параметров конкретного элемента и расход через которые определяется по формулам для случаев докритического и надкритического режима движения газа. Первоначально находится расход газа на выходном клапане 16, при этом используется выражение сверхкритического движения газа через дроссель. Затем, принимая этот расход за первое приближение, рассчитываются потери давления на других элементах цепи. По остаточному падению давления на выходном клапане рассчитывается расход второго приближения. Система уравнений решается методом последовательного приближения до тех пор, пока разница между значениями найденного расхода на последнем и предпоследнем шаге не станет меньше, чем заданное значение погрешности расчета. Перепад давления на местном сопротивлении должен обеспечивать докритический режим истечения газа, за исключением последнего (выходного клапана) 16 и редуктора 1, перепад давления на которых - сверхкритический. Вьшолнение этого условия достигается наложением ограничений на площадь проходного сечения шаровых кранов; на остальных элементах цепи перепад давления - заведомо докритический.
Использование для расчета по методике, изложенной в предыдущем разделе стандартных математических пакетов, например MathLab, возможно, однако приведет к существенному увеличению времени, необходимого для решения каждой конкретной задачи, кроме того затрудняется вывод данных в удобной для использования форме (таблиц, графиков, файла требуемой структуры). Поэтому для расчета пульсационных характеристик стендовых магистралей потребовалась разработка специализированного программного обеспечения.
Программа расчета реализована с использованием алгоритмического языка программирования C++ и среды визуального программирования Borland C++ Builder. Основная библиотека m22.h отвечает современным требованиям объектно-ориентированного программирования и может быть использована в любой из задач определения параметров движения в газовых цепях с учетом принятых соглашений. Библиотека включает описание класса рабочей среды Fluid, базового класса элементов Element и непосредственно элементов ПГЦ - Valve (клапан), Pulsator (пульсатор), Orifice (диафрагма), Pipeline (трубопровод), Capacity (емкость), Three_way (тройник), Reducer (редуктор), Confuse (сужение трубопровода), Diffuse (расширение трубопровода). При разработке класса Orifice (диафрагма) реализована методика расчета расхода газа через диафрагму по перепаду давления на диафрагме, давлению и температуре газа согласно ГОСТ [27]. Кроме того, разработан класс PGS, описывающий пневмогидравлическую систему и структура для передачи параметров ElParams.
При расчете стендовых магистралей возможны два варианта: в первом случае все параметры приравниваются к нулевым условиям - атмосферное давление и отсутствие расхода, задавая изменение давления в начальном сечении стенда находятся параметры при отключенном пульсаторе во всех сечениях. Затем задается частота вращения пульсатора и, принимая полученные параметры в качестве начальных условий находятся расход и давление газа во всех сечениях газовой цепи. При таком варианте расчета можно проанализировать переходные процессы в стендовой магистрали, меняя параметры элементов системы, уровни давлений и частоту вращения привода генератора. Однако данный способ требует большего количества машинного времени и ресурсов.
Во втором случае расчет характеристик стендовых магистралей производится в такой последовательности: сначала задается положение дросселей, геометрические размеры трубопроводов, емкостей и местных сопротивлений и выполняется расчет статических характеристик (рис. 2.8) по методике, изложенной в разделе 2.2. Затем полученные значения параметров движения потока газа принимаются в качестве начальных условий и, задавая частоту вращения вала электродвигателя пульсатора, ведется расчет динамических характеристик стенда (рис. 2.9) методом характеристик (см. раздел 2.3.1). Этот способ расчета оправдан пр построении частотных зависимостей, функций положения и параметров дросселирующих элементов, длин и диаметров трубопроводов.
На рис. 2.10 показано главное окно программы расчета характеристик стендовых магистралей. Программа расчета имеет удобный пользовательский интерфейс. На главном поле программы расположены четыре страницы: «Схема», «Графики», «Ошибки» и «Элементы». На странице «Элементы» выведен список элементов и реализована возможность изменения структуры ПГС и параметров элементов (рис. 2.11). Для контроля сходимости решений уравнений в процессе расчета, ошибки, возникающие на каждом шаге расчета элементов ПГС выводятся в окно сообщений на странице «Ошибки» (рис. 2.12). Кроме того, на графике отображаются количество итераций на каждом шаге по элементам. В программе предусмотрена возможность изменения числа итераций, однако, проведенные расчеты показали, что при допустимой погрешности счета 0,1 % сходящееся решение находится за 4... 15 итераций, в случае большего количества итераций полученное решение является неустойчивым.
В основном меню программы производится выбор вида расчета в пункте «Расчет- Выбор»: переходный процесс или построение частотной характеристики. Во втором случае выполняется расчет параметров в выбранном сечении в заданном частотном диапазоне (задается в пункте меню «Параметры- Частотный диапазон»).
Результаты расчета выводятся на дисплей в виде графиков изменения расхода и давления в выбранном сечении системы (рис. 2.13) на странице «Графики», для изменения масштаба по оси ординат служат кнопки «Авто», «+» и «-». Изменение разрешения графика по временной оси производится заданием выводимого временного интервала в пункте меню «Параметры- Разрешение графика». Программа расчета характеристик стендовых магистралей позволяет вывести полученные результаты: передать изображение графика в виде wmf-рисунка в буфер или сохранить в виде файла, который может быть обработан другим пакетом, например ПОС фирмы НПП «МЕРА» [47], для чего необходимо воспользоваться соответствующим пунктом выпадающего меню поля графика..
Экспериментальное исследование пульсационных характеристик стенда
Исследование пульсационных характеристик экспериментальной установки необходимо для выбора параметров трубопроводов и основных узлов, при которых реализуется заданный режим испытаний расходомеров. Колебания давления в характерных сечениях установки определяются на основе изложенной в разделе 2.3.1 методики, с применением разработанных автором программ.
При исследовании пульсационных характеристик стенда были предварительно заданы диапазоны изменения параметров, в пределах которых предполагается реализация заданного пульсационного режима на испытуемом участке газовой магистрали.
Одним из основных параметров стендовой магистрали является диаметр напорного трубопровода, который ограничен сверху - возможностями нагнетателя по созданию максимального расхода и давления газа на испытуемом участке. Сжатым воздухом установку обеспечивает компрессорная станция с суммарным объемом ресиверов 80 м3. Минимальный диаметр стендовой магистрали связан с возможным влиянием подключения измерительной цепи на колебательный процесс на участке с испытуемым расходомером. Потому предложено использовать наименьший из диаметров трубопроводов, широко применяемых в газовой промышленности - 50 мм. Экспериментальные исследования в дальнейшем показали, что диаметр 50 мм является вполне достаточным, чтобы подсоединение измерительных цепей с диаметром каналов до 10 мм практически не влияло на колебательный процесс в газовой магистрали. Давление на входе в стенд задано 3-И 5 МПа, в стендовых магистралях - 0,5+3 МПа. Воздух на выходе стенда истекает в атмосферу. Диапазоны изменения параметров других узлов и элементов стенда следующие: объем емкостей 2, 9 и 15 - 0,02 0,1 м3. Регулирующие дроссели 9, 10 - шаровые краны Z y20...0 50, дроссели 8, 11 - шаровые краны Dy\0...Dy40, диаметр диска воздушного генератора (=10...40 мм. Диафрагмы испытуемого и контрольного расходомеров выполнены одинаковыми по ГОСТ [26], относительные диаметры =0.3...0.7. Длины трубопроводов на входе в диафрагмы и на выходе из них выбраны не менее, чем рекомендованные ГОСТ [26]. Наибольшая длина корректирующего трубопровода - 6 м. Частота вращения привода генератора выбирается исходя из реализующегося в газовых магистралях спектра колебаний давления в диапазоне 3.. .200 Гц.
Задатчик перепада давления используется только для поддержания в узком диапазоне среднего перепада давления на испытуемом расходомере после получения требуемой реализации колебательного процесса на участке с испытуемым расходомером. По-этому, для экономии машинного времени и ресурсов при теоретическом исследовании пульсационных характеристик стенда задатчик перепада давления не рассматривался.
На рис. 2.14, 2.15 показано изменение амплитуды колебаний в зависимости от степени открытия байпаса генератора при частоте колебаний 5 Гц. Степень открытия байпаса генератора характеризуется соотношением площадей байпаса и цилиндра генератора К/= Fs I Fz. Как видно из спектрограмм, на низких частотах (до 10 Гц) реализуется сигнал, близкий к синусоидальному, с увеличением частоты (рис. 2.16) проявляются вторая и высшие гармоники.
На рис. 2.17...2.25 приведены расчетные колебания давления, перепада давления, расхода и спектрограммы сигналов по сечениям стендовых магистралей при частоте пульсаций 30 Гц и полностью закрытом байпасе генератора. Амплитуда основной гармоники колебаний давления на входе в диафрагму испытуемого расходомера 7000 Па, на выходе из диафрагмы 3000 Па, перепада давления - 9000 Па, значительно подавляется гасителем (емкостью 9) соответственно 200, 120 и 300 Па. Колебания расхода на контрольном расходомере также практически подавлены гасителем (рис. 2.23, 2.24).
Влияние частоты на относительное эффективное значение колебаний давления и перепада давления (рис. 2.26, 2.27) определяется геометрическими параметрами узлов (длинами трубопроводов). Как видно по рис. 2.26 при принятых параметрах стендовых магистралей реализуется резонансный режим по колебаниям давления на частотах 55 Гц и антирезонанс на частоте 85 Гц. Для колебаний перепада давления на диафрагме (рис. 2.27) резонанс наблюдается на частотах 55 Гц, антирезонанс - на частоте 85...90 Гц. Диапазон изменения относительного эффективного значения колебаний 0...0,02 по давлению и 0...0,5 по перепаду давления на диафрагме испытуемого расходомера. Применение для регулирования эффективного значения колебаний байпасного дросселя генератора в большей степени оправдано на частотах до 30 Гц. На частотах свыше 50 Гц при степени закрытия байпаса более 10 % влияние резонансных явлений становится более заметным и добиться плавности при регулировании эффективного значения колебаний байпасом генератора не удастся. При необходимости создания колебаний давления с эффективным значением колебаний более 0,001 в диапазоне частот 40...43 Гц потребуется изменение геометрических параметров узлов стендового оборудования, например, изменение длины трубопроводов или применение корректирующих устройств. На рис. 2.28 показаны зависимости относительных эффективных значений колебаний давления от частоты при длине трубопровода 8 за диафрагмой испытуемого расходомера 2 м и 4 м (см. рис. 2.6). Варьируя геометрическими размерами трубопроводов и емкостей, можно добиться выполнения и других заданных требований - относительного эффективного значения в заданном частотном диапазоне, требуемого диапазона регулирования, и т. д. Данный способ увеличения амплитуды колебаний давления (перепада давления) следует применять, если возможности корректирующих устройств не обеспечивают реализацию требуемых параметров колебательного процесса на участке с испытуемым расходомером.
Эффективность применения корректирующих устройств показана на рис. 2.31,а. Как видно из приведенных диаграмм, установка корректирующего дросселя позволяет существенно выровнять амплитуду колебаний давления за генератором по частоте. Применение корректирующего трубопровода приводит к существенному снижению амплитуды гармоники, на частоту которой он настроен. Так, при длине корректирующего трубопровода 4 м и частоте колебаний 40 Гц (рис. 2.29 и 2.30) его подключение приводит к уменьшению амплитуды основной гармоники примерно в 10 раз. Эффективность применения корректирующего трубопровода длиной 4 м показана на рис. 2.31,а. На рис. 2.31,6 приведена зависимость коэффициента коррекции формы пульсаций от частоты, рассчитанного по формуле:
